Ενθαλπία ενυδάτωσης και διαλυτότητα

Η ποσότητα της μέγιστης διαλυμένης ουσίας που μπορεί να διαχυθεί σε έναν διαλύτη σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία είναι γνωστή ως διαλυτότητα. Η ενθαλπία ενυδάτωσης ορίζεται ως η ποσότητα ενέργειας που παράγεται όταν 1 (ένα) mole των αερίων ιόντων αναμιγνύεται με H2O (νερό) για να παραχθούν ενυδατωμένα ιόντα. Η ενέργεια ενυδάτωσης είναι ένα σημαντικό συστατικό στη σύντομη ανάλυση της διαλυτοποίησης. Όταν το αλάτι διαλύεται στο H2O (νερό), τα κορυφαία ιόντα αποσπώνται από το πλέγμα του και καλύπτονται από τα μόρια του νερού γύρω τους. Ένα άλας είναι υδατοδιαλυτό όταν η τιμή ενυδάτωσης είναι ίση ή μεγαλύτερη από την ενέργεια του πλέγματος.

Ενθαλπία ενυδάτωσης και διαλυτότητα

Η ενέργεια που απαιτείται για τη μετατροπή της ενέργειας ενός ιοντικού στερεού στην αέρια κατάστασή του είναι γνωστή ως ενέργεια του πλέγματος. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ιοντικού δεσμού στα ιοντικά διαλύματα. Οι ενέργειες του πλέγματος θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των διαλυτοτήτων των ενώσεων, καθώς υποθέτουμε ότι η θεωρία Born-Haber για τη διάλυση του άλατος σε H2O (νερό) και μπορούμε να την προβλέψουμε ως συνδυασμό των δύο μηχανισμών:

• η εξάτμιση του αλατιού για τη δημιουργία αερίων ιόντων, που προσδιορίζεται από την ενθαλπία πλέγματος
• η διαδικασία ενυδάτωσης των ιόντων για τη δημιουργία ενός διαλύματος

Η κουλομβική δύναμη έλξης συνδέει τα ιόντα στη διαλυμένη ουσία μεταξύ τους. Για να διαλυθεί αυτή η διαλυτή ουσία (στην περίπτωση αυτή, το νερό), το μόριο του νερού πρέπει να υπερνικήσει τις δυνάμεις βαρύτητας. Η ενθαλπία πλέγματος είναι η δύναμη που απαιτείται για τη διέλευση των γραμμών έλξης. Οι περισσότερες ιοντικές ενώσεις μπορεί να μην διασπώνται σε άνυδρα διαλύματα, αλλά να έχουν υψηλή υδατοδιαλυτότητα. Οι αλληλεπιδράσεις των ιόντων με τον διαλύτη είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει τη διάλυση των αλάτων. Το νερό αλληλεπιδρά με ιόντα και παράγει έναν ισχυρό δεσμό που απελευθερώνει ηλεκτρόνια, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως.

Εφαρμογή ενθαλπίας ενυδάτωσης

Η διαδικασία κατά την οποία μια διαλυμένη ουσία σε υγρή, στερεή ή αέρια φάση διαλύεται πλήρως σε έναν διαλύτη για να παραχθεί ένα διάλυμα είναι γνωστή ως διαδικασία διάλυσης. Η διαδικασία τερματισμού θα μπορούσε να είναι γνωστή ως συνδυασμός δύο ενεργειών.

Στην πρώτη συνθήκη της Ενυδάτωσης,

M+(s) → M+(g)                △HLatt =Ενθαλπία πλέγματος

Στη δεύτερη συνθήκη της Ενυδάτωσης,

M + (g) + H2O → M+(aq)  △HHyd =Ενθαλπία ενυδάτωσης

Παραδείγματα ενθαλπίας ενυδάτωσης 

Ένα από τα καταλληλότερα παραδείγματα εφαρμογής της ενθαλπίας ενυδάτωσης είναι η αντίδραση του τσιμέντου με το νερό. Η αντίδραση μεταξύ αυτών των ενώσεων είναι εξώθερμη και απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμότητας.

Ποιες είναι οι τάσεις της διαλυτότητας;

• Η αυξανόμενη ασυνέπεια της διαμόρφωσης μεταξύ του κατιόντος και του ανιόντος οδηγεί σε υψηλότερη διαλυτότητα, επομένως τα LiI και CsF μπορούν να είναι τα διαλυτά αλκαλικά αλογονίδια.
• Η αύξηση των ομοιοπολικών δεσμών οδηγεί σε μείωση της διαλυτότητας του άλατος λόγω του μεγαλύτερου EL. Για παράδειγμα, τα AgCl, AgI, AgBr και AGF παρουσιάζουν χαμηλότερη διαλυτότητα λόγω της αυξανόμενης ομοιοπολικότητας.

AgF>AgCl>AgBr>AgI

• Με την αύξηση του φορτίου, η διαλυτότητα ενός ανιόντος μειώνεται καθώς η αύξηση του EL είναι πολύ σχετική με την αύξηση του EH.
• Μικρά, πολυσθενή κατιόντα, όπως ClO4–, NO3–, I–, οξικό και PF6– σχηματίζουν διαλυτά άλατα με μεγάλα, μονοσθενή ανιόντα.

Παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της ενθαλπίας ενυδάτωσης

• Το φορτίο του ιόντος είναι ευθέως ανάλογο με τη δύναμη έλξης μεταξύ της ποσότητας έλξης μεταξύ των ιόντων και των μορίων του νερού, δηλαδή η έλξη έγινε ισχυρότερη με την αύξηση του φορτίου. Για παράδειγμα, τα ιόντα της Ομάδας 2 (όπως το Mg2+) έχουν σημαντικά μεγαλύτερες ενθαλπίες ενυδάτωσης από τα ιόντα της ομάδας 1 (Na+).
• Η δύναμη έλξης είναι γενικά υψηλή στην περίπτωση των μικρότερων ιόντων. Οι ενθαλπίες ενυδάτωσης, για παράδειγμα, μειώνονται καθώς προχωράμε προς τα κάτω στον Περιοδικό Πίνακα. Το μικρό ιόν λιθίου έχει την υψηλότερη ενθαλπία ενυδάτωσης στην Ομάδα 1 του περιοδικού πίνακα, ενώ το μικρότερο ιόν φθορίου έχει τη μέγιστη ενθαλπία ενυδάτωσης στην Ομάδα 7. Καθώς τα ιόντα μεγαλώνουν, η ενθαλπία ενυδάτωσης μειώνεται και στις δύο ομάδες.
• Η ιοντική ακτίνα και η φόρτιση επηρεάζουν την ενθαλπία της ενυδάτωσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ενθαλπία είναι η ακτινοβολία και το ιοντικό φορτίο. Μπορεί να υπάρχουν αυστηρές ομοιοπολικές συνδέσεις συντεταγμένων μεταξύ ατόμων οξυγόνου, θετικών ιόντων και μορίων νερού ή απλώς να υπάρχουν χαλαρές έλξεις ιόντων-διπόλων.
• Ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει την ενθαλπία ενυδάτωσης των στοιχείων είναι η ιοντική ακτίνα. Καθώς μειώνουμε την ακτίνα του ιόντος, το ΔHhydθ γίνεται πιο εξώθερμο. Η πυκνότητα φορτίου είναι εξαιρετικά υψηλή σε μικρά συστατικά, καθιστώντας την έλξη ιόντων-διπόλου ισχυρότερη μεταξύ ιόντων και μορίων νερού στο διάλυμα. Το σύστημα ενυδατώνεται, λόγω του οποίου απελευθερώνει περισσότερη ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, έγινε πιο εξώθερμος.

Συμπέρασμα

Στο παραπάνω κεφάλαιο, διαβάσαμε την έννοια, τον ορισμό, την αρχή, τους στόχους και την εφαρμογή της ενθαλπίας και της διαλυτότητας της ενυδάτωσης. Οι ενέργειες του πλέγματος θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των διαλυτοτήτων της ένωσης. Οι διαλυτότητες του ατόμου εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες όπως η ατομική διαμόρφωση, οι ομοιοπολικοί δεσμοί και τα φορτία του ατόμου. Η ενθαλπία ενυδάτωσης και η διαλυτότητα συνδέονται στενά μεταξύ τους.